Neptunium (Np) — Element 93: Eigenschaften und Fakten

Struktur

Das Neptunium-Atom

Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.

Orbitalwolke

Unterschalen — eine zur Darstellung auswählen

Elektronen pro Schale

n=1 2
n=2 8
n=3 18
n=4 32
n=5 22
n=6 9
n=7 2

Neptunium hat 7 besetzte Schalen, die insgesamt 93 Elektronen enthalten. Die äußerste Schale enthält 2 – diese Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften.

Protonen: 93
Elektronen: 93
Neutronen (langlebigstes Isotop, Np-237): 144
Oxidationsstufen: +3, +4, +5, +6

Gemessene Werte

Eigenschaftsübersicht

Jeder Balken zeigt, wo Neptunium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.

Physikalisch

Dichte 20,45 g/cm³ 89%

Schmelzpunkt 917 K 39%

Siedepunkt 4300 K 86%

Spezifische Wärme 0,12 J/g·K

Wärmeleitfähigkeit 6,3 W/m·K 19%

Atomar

Atomradius 155 pm 49%

Kovalenzradius 190 pm

Van-der-Waals-Radius 239 pm

Elektronisch

Elektronegativität 1,36 41%

Ionisierungsenergie 605 kJ/mol 35%

Elektronenaffinität —

Vorkommen

Häufigkeit in der Erdkruste 0 mg/kg 0%

Identität

SymbolNp

Ordnungszahl93

Atommasse237 u

KategorieActinoid

Blockf

Kristallstrukturorthorhombisch

Oxidationsstufen+3, +4, +5, +6

Entdeckt1940

Entdeckt vonMcMillan & Abelson

Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.

Gleiches Element, andere Neutronenzahl

Isotope von Neptunium

Alle Neptunium-Atome haben dieselbe Zahl von Protonen, 93, und unterscheiden sich nur in der Zahl der Neutronen: Diese Varianten sind die Isotope des Elements. Keines davon ist stabil. Das langlebigste bekannte Isotop, Np-237, hat 144 Neutronen und eine Halbwertszeit von 2,144 × 10⁶ J.

Langlebige und bekannte Isotope von Neptunium
ISOTOP	Neutronen	Natürliche Häufigkeit	Halbwertszeit	Zerfallsart
Np-234	141	—	4,4 Tg.	ε/β⁺
Np-235	142	—	396,1 Tg.	ε
Np-236	143	—	1,55 × 10⁵ J	ε (87,8 %), β⁻ (12 %)
Np-237 langlebigstes	144	—	2,144 × 10⁶ J	α
Np-239	146	—	2,356 Tg.	β⁻

Hier liefert die Schul-Faustregel, gerundete Atommasse (237) minus Ordnungszahl, dasselbe Ergebnis: 144.

Zerfallsarten

ε: Elektroneneinfang
β⁺: Positronenemission
β⁻: Beta-minus-Zerfall
α: Alphazerfall

Daten: IAEA Nuclear Data Section, LiveChart of Nuclides, Bewertungen der Grundzustände, abgerufen am 10. Oktober 2026. Die Häufigkeit ist der Anteil der Atome im natürlichen Element; ein Strich bedeutet, dass das Isotop keine natürliche Standardhäufigkeit hat.

Größe, maßstabsgetreu

Wie groß ist das Atom von Neptunium?

Radius 155 pm — das entspricht 0,155 nm; etwa 3,23 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.

Temperaturbereich

Fest, flüssig, gasförmig — und wann

Neptunium ist über einen Bereich von 3383 K flüssig, von 917 K bis 4300 K.

Wo es steht

Position in der Tabelle

Neptunium befindet sich in der Actinoid-Serie, die unterhalb des Hauptgitters dargestellt wird.

Andere Actinoide

89Ac 90Th 91Pa 92U 94Pu 95Am 96Cm 97Bk 98Cf 99Es 100Fm 101Md 102No 103Lr

Alle Actinoide

Die Geschichte

Was Neptunium ist und wie wir es gefunden haben

Das erste Transuran-Element, das 1940 durch Beschuss von Uran mit Neutronen hergestellt wurde.

Die Entdeckung von Neptunium

Historische Entdeckung – 1940

Edwin McMillan und Philip Abelson von der University of California, Berkeley, schrieben Geschichte, als sie am 27. Mai 1940 das erste Transuran-Element entdeckten. Diese Leistung öffnete den Weg zu einer völlig neuen Klasse super schwerer Elemente.

Das bahnbrechende Experiment

Innovation beim Zyklotron: Mit Berkeleys leistungsstarkem Zyklotron beschoss McMillan Uran-238 mit Neutronen, in der Erwartung, weitere Uranisotope zu erzeugen. Stattdessen beobachteten sie rätselhafte radioaktive Zerfallsmuster, die keinem bekannten Element entsprachen.

Chemische Detektivarbeit: Abelson schloss sich dem Projekt an und trennte das unbekannte Element durch eine präzise chemische Analyse vom Uran. Sie entdeckten, dass dieses neue Element ähnliche chemische Eigenschaften wie Uran besaß, sich aber deutlich unterschied, was bewies, dass es sich um Element 93 handelte.

Benennung des Elements

Inspiration durch Planeten: Die Entdecker benannten das Element nach dem Planeten Neptun als „Neptunium“, entsprechend dem bei Uran (benannt nach Uranus) etablierten Muster. Da Neptun in unserem Sonnensystem der nächste Planet hinter Uranus ist, wurde Neptunium im Periodensystem zum nächsten Element hinter Uran.

Verbindung zum Manhattan-Projekt

Geheimhaltung während des Krieges: Die Entdeckung wurde wegen des Zweiten Weltkriegs und des Manhattan-Projekts zunächst geheim gehalten. Wissenschaftler erkannten, dass die Erzeugung von Neptunium aus Uran zur Entdeckung weiterer synthetischer Elemente mit potenziellen militärischen Anwendungen führen könnte.

Wissenschaftliche Revolution: Diese Entdeckung bewies, dass schwerere Elemente als Uran existieren und im Labor synthetisiert werden können, und veränderte damit Kernphysik und Chemie grundlegend. McMillan erhielt dafür 1951 den Nobelpreis für Chemie.

Technische Leistung

Herausforderung beim Nachweis: Das Team musste Neptunium trotz seiner vergleichsweise kurzen Halbwertszeit und des Vorkommens wesentlich größerer Uranmengen nachweisen. Der innovative Einsatz chemischer Trennverfahren und Methoden zur Strahlungsdetektion wurde zur Grundlage für die Entdeckung aller nachfolgenden Transuran-Elemente.

Anwendungen

Wofür Neptunium verwendet wird

Anwendungen in der Kernforschung

Neutronendetektionssysteme: Neptunium-237 ist ein wichtiger Bestandteil moderner Neutronendetektionsgeräte, die weltweit in kerntechnischen Anlagen eingesetzt werden. Seine einzigartigen nuklearen Eigenschaften machen es für die Überwachung des Neutronenflusses in Forschungsreaktoren und für das Verständnis komplexer Kernreaktionen unverzichtbar.

Forschung zum nuklearen Brennstoffkreislauf: Wissenschaftler verwenden Neptunium, um das Verhalten von Actinoid-Elementen in nuklearen Brennstoffkreisläufen zu untersuchen. Diese Forschung ist entscheidend für die Entwicklung sichererer und effizienterer Kernenergietechnologien sowie für das Verständnis langfristiger Strategien zur Entsorgung nuklearer Abfälle.

Technologie für die Weltraumforschung

Radioisotopen-Stromversorgungssysteme: Neptunium-237 wird in Reaktoren bestrahlt, um Plutonium-238 herzustellen, den Brennstoff thermoelektrischer Radioisotopengeneratoren (RTGs) für Tiefraummissionen; das Zwischenprodukt Neptunium-238 existiert nur etwa zwei Tage.

Strahlenschutz im Weltraum: Untersuchungen von Neptunium helfen Wissenschaftlern zu verstehen, wie sich schwere Elemente unter intensiver kosmischer Strahlung verhalten. Dies trägt zur Entwicklung eines besseren Strahlenschutzes für langfristige Weltraummissionen zum Mars und darüber hinaus bei.

Wissenschaftliche Forschung

Grundlagenphysik: Neptunium-Isotope werden in der fortgeschrittenen Forschung eingesetzt, um die Grenzen der Kernstabilität sowie die Eigenschaften super schwerer Elemente zu verstehen. Diese Forschung erweitert die Grenzen unseres Verständnisses der Atomstruktur und Kernphysik.

Chemische Forschung: Als erstes Transuran-Element dient Neptunium als Modell für die Untersuchung des chemischen Verhaltens der gesamten Actinoid-Reihe und hilft Chemikern, die Eigenschaften noch schwererer und exotischerer Elemente vorherzusagen.

Nukleare Forensik

Nachverfolgung nuklearer Materialien: Neptunium-Signaturen helfen Experten der nuklearen Forensik, Herkunft und Geschichte nuklearer Materialien zurückzuverfolgen. Damit leisten sie weltweit einen wichtigen Beitrag zur nuklearen Sicherheit und zu Maßnahmen gegen die Weiterverbreitung von Kernwaffen.

Begrenzte kommerzielle Anwendungen

Standard in Forschungslaboren: Neptunium-237 wird hauptsächlich als Referenzstandard in kernphysikalischen Forschungslaboren zur Kalibrierung von Detektionsgeräten und zur Untersuchung der Chemie der Actinoide verwendet. Seine lange Halbwertszeit (2,14 Millionen Jahre) macht es für langfristige Forschungsprojekte wertvoll.

Vorstufe für die Plutoniumproduktion: In spezialisierten kerntechnischen Anlagen kann Neptunium-237 durch Neutronenbeschuss in Plutonium-238 umgewandelt werden. Dadurch entsteht eine Quelle für Pu-238 für Anwendungen in der Raumfahrt und medizinische Geräte.

Spezialisierte Forschungswerkzeuge

Anwendungen als Neutronenquelle: Kleine Mengen Neptunium werden in der Neutronenaktivierungsanalyse eingesetzt. Dabei bestimmen Wissenschaftler die Zusammensetzung verschiedener Materialien, indem sie die beim Einfang von Neutronen ausgesendete Strahlung analysieren.

Lehrdemonstrationen: Äußerst kleine, sorgfältig kontrollierte Proben werden manchmal in fortgeschrittenen universitären Physikkursen verwendet, um die Eigenschaften von Transuran-Elementen zu demonstrieren. Dies erfordert jedoch umfassende Sicherheitsmaßnahmen.

Wichtiger Hinweis: Neptunium hat aufgrund seiner Radioaktivität und Seltenheit keine Anwendungen für Verbraucher. Alle Verwendungen sind auf spezialisierte Forschungseinrichtungen mit geeigneten Strahlenschutzmaßnahmen beschränkt.

Woher es stammt

Natürliches Vorkommen

0 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 0 % der Elemente

Natürliche Spuren, synthetische Versorgung

Natürliches Vorkommen: Neptunium kommt in der Natur nur in Spuren vor: Neptunium-237 und Neptunium-239 entstehen in Uranerz durch Neutroneneinfang, und eine Analyse von 1952 fand Neptunium-237 in Erzkonzentraten aus Belgisch-Kongo, mit etwa einem Teil pro Billion des Urans. Nutzbares Neptunium wird in Reaktoren hergestellt.

Herstellung im Labor

Synthese im Zyklotron: Neptunium wurde erstmals 1940 durch Beschuss von Uran mit dem Berkeley-Zyklotron hergestellt; heute stammt das meiste Neptunium aus der Neutronenbestrahlung von Uran in Kernreaktoren. Die häufigste Methode ist der Neutronenbeschuss von U-238, bei dem U-239 entsteht und anschließend durch Betazerfall Np-239 bildet.

Nebenprodukt in Kernreaktoren: Große Mengen Neptunium-237 entstehen als Nebenprodukt in Kernreaktoren, weltweit mehr als fünfzig Tonnen pro Jahr, auch wenn ihre Isolierung eine aufwendige Verarbeitung erfordert.

Weltweite Produktion

Begrenzte weltweite Versorgung: Weltweit trennen nur wenige spezialisierte Anlagen Neptunium ab, obwohl Reaktoren jährlich mehr als fünfzig Tonnen Neptunium-237 im abgebrannten Brennstoff abgeben. Die Vereinigten Staaten, Russland und einige europäische Anlagen sind die wichtigsten Quellen.

Kosten und Seltenheit: Aufgrund seiner synthetischen Natur und des komplexen Herstellungsverfahrens ist die Produktion von Neptunium äußerst teuer und kostet Tausende Dollar pro Gramm. Dadurch ist seine Verwendung ausschließlich auf wesentliche Forschungsanwendungen beschränkt.

Handhabung

Sicherheit

Neptunium ist radioaktiv. Es besitzt kein stabiles Isotop — jeder Atomkern zerfällt. Die Handhabung erfordert eine geeignete Abschirmung und Genehmigungen.

Strahlengefahr

Alpha-Strahler: Neptunium-237 sendet gefährliche Alphastrahlung aus und hat eine Halbwertszeit von 2,14 Millionen Jahren. Obwohl Alphateilchen die Haut nicht durchdringen können, verursachen sie schwere innere Schäden, wenn Neptuniumstaub eingeatmet oder verschluckt wird.

Gefahren durch Einatmen

Atemwegsgefahr: Neptuniumpartikel können sich im Lungengewebe festsetzen, langfristige Strahlenbelastung verursachen und das Krebsrisiko erheblich erhöhen. Neptunium-237 ist pro Gramm nur schwach radioaktiv, etwa 1.400-mal weniger aktiv als Radium-226; das Risiko hängt daher davon ab, wie viel eingeatmet und im Körper zurückgehalten wird.

Schutzausrüstung: Arbeiten mit Neptunium erfordern spezielle Einschlussanlagen, Schutzanzüge, Atemschutzgeräte und eine kontinuierliche Überwachung der Luft, um das Einatmen oder den Hautkontakt zu verhindern.

Handhabungsprotokolle

Nur für autorisiertes Personal: Neptunium darf nur von ausgebildeten Kerntechnikern mit entsprechender Genehmigung und umfassender Sicherheitsschulung gehandhabt werden. Alle Arbeiten müssen in speziell konzipierten kerntechnischen Anlagen mit mehreren Einschlussbarrieren durchgeführt werden.

Notfallmaßnahmen: Anlagen müssen über unverzüglich einsetzbare Dekontaminationsprotokolle und eine direkte Kommunikationsmöglichkeit mit spezialisierten medizinischen Teams verfügen, die in der Behandlung von Strahlenexposition geschult sind.

Weiter entdecken

Neptunium in den Werkzeugen

Schnelle Antworten

Neptunium: häufige Fragen

Was ist Neptunium?

Neptunium (Symbol Np) ist Element 93 im Periodensystem, ein Actinoid in Periode 7. Das erste Transuran-Element, das 1940 durch Beschuss von Uran mit Neutronen hergestellt wurde. Bei Raumtemperatur ist es fest und radioaktiv.

Wie lautet die Elektronenkonfiguration von Neptunium?

Die Elektronenkonfiguration von Neptunium im Grundzustand ist [Rn] 5f⁴ 6d¹ 7s²; sie ergibt 7 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2.

Wie hoch sind der Schmelz- und der Siedepunkt von Neptunium?

Neptunium schmilzt bei 917 K (643,9 °C) und siedet bei 4300 K (4026,9 °C).

Wie hoch ist die Atommasse von Neptunium?

Neptunium hat kein stabiles Isotop und daher keine Standardatommasse. Die angegebene Zahl 237 ist die Massenzahl seines langlebigsten bekannten Isotops.

Wie viele Neutronen hat Neptunium?

Neptunium hat kein stabiles Isotop. Sein langlebigstes bekanntes Isotop, Np-237, hat 144 Neutronen (Massenzahl 237 minus Ordnungszahl 93) und eine Halbwertszeit von 2,144 × 10⁶ J. Die Schul-Faustregel, gerundete Atommasse (237) minus Ordnungszahl, ergibt ebenfalls 144.

Wie hoch ist die Dichte von Neptunium?

Neptunium hat eine Dichte von 20,45 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1,0 g/cm³, daher ist ein Block aus Neptunium ungefähr 20,5× schwerer.

Wie hoch ist die Elektronegativität von Neptunium?

Neptunium hat eine Elektronegativität von 1,36 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.

Wer entdeckte Neptunium und wann?

Neptunium wurde 1940 von McMillan & Abelson entdeckt. Herkunft des Namens: Der Planet Neptun, weiter außen als Uranus.

Wie häufig kommt Neptunium auf der Erde vor?

Neptunium kommt auf der Erde in keiner nennenswerten Menge natürlich vor — es wird in einem Reaktor oder einem Teilchenbeschleuniger hergestellt.

Ist Neptunium radioaktiv?

Ja. Neptunium hat kein stabiles Isotop — jeder seiner Atomkerne zerfällt. Spurenmengen kommen natürlich als Zerfallsprodukte schwererer Elemente vor.

← Vorherige U Uran Element 92 · Actinoid Weiter → Pu Plutonium Element 94 · Actinoid